美国能源部350Wh/kg电池2017年度研究进展

美国能源部车辆技术办公室（the Vehicle Technologies Office (VTO)）每年会发布车用电池研发项目的年度报告，并放在美国能源部网站上供大家免费下载。本文参考资料为2017年度电池研究进展报告。18年度的研究进展报告目前还没有发布。

其车用电池研发项目（Battery Program）的目标之一是研发纯电动汽车用高能量密度的电池。单体电芯的比能量大于350Wh/kg，循环寿命大于1000次。项目资助了Envia systems、LGCPI、24M、Farasis Energy、Amprius和SiNode Systems 6家公司研究电芯。其中24M主要研究半固态锂离子电芯，SiNode Systems重点研究克容量大于1000Wh/kg的硅/石墨烯复合材料，其余4家公司研究硅负极锂离子电芯。下图是电池系统和电芯的目标。

下面简单介绍一下6家公司17年的研究进展：

Envia Systems

17年主要完成了11Ah软包电芯（Cell-build 2#）的制备，比能量达到280Wh/kg，循环大于500周（C/3rate，CC-CV，30℃，4.35V to 2.3V）。比能量为245Wh/kg 的21Ah软包电芯（Baseline cell），循环大于700周（C/3 rate，CC-CV，30℃，4.35V to 2.3V）。18年将会制备循环寿命大于1000的300Wh/kg的11Ah软包电芯（Cell-build 3#），循环大于1000次的50Ah软包电芯（Cell-build 4#）。

电芯正极为富镍NCM和富锰NCM两种材料的混合，负极为SiO/C（SiO含量大于50%），通过预锂工艺（与Nanoscale Components合作）提高首效。其中，电解液为Daikin America公司生产，涂敷处理的隔膜为Asahi Kasei提供，电池制造与A123 Venture Technologies合作；Si合金来自3M，n-Si来自DuPont。

项目的工作重点是材料优化和选择、预锂工艺、电芯设计、电芯化成和测试方法。循环是主要挑战之一，负极的粉化（pulverization）和破碎（fragmentation）是主要的失效模式，解决措施为优化电芯设计（涂敷量、密度、N/P等）和材料选择（负极、正极、导电剂、电解液、隔膜）。

查找循环失效的原因主要通过失效分析和电芯拆解（物理、化学、结构、电化学分析）来进行。

LGCPI

项目初期选用富锰NCM/硅负极体系，循环性能很差，仅循环了25周。随后转为选用富镍NCM。17年主要对比了SiO含量为10%和30%的电芯OCV、循环和膨胀。与10%的SiO电芯相比，30%的SiO电芯的OCV低，100%SOC循环性能差，膨胀力大。降低SOC窗口后，两者循环性能差异不大。目前还没有达到USABC的目标，未来要制作>50Ah的电芯。

24M

24M公司主要研究半固态锂电池。正极主要选用NCM622和811。通过改善电解液，电池的低温性能有较大提升。-20℃，1/3C放电容量为室温容量的50%。

Farasis Energy

项目主要通过优化正极、硅负极、预锂工艺、电解液和导电剂来达成目标。

正极筛选了12种，有高压NCM、LMRNCM和富镍NCM，比容量为187-210 mAh/g；负极主要为硅合金、SiO、硅纳米线和硅纳米颗粒，比容量为>1000 mAh/g。

Gen 1 电芯容量为10~30Ah，比能量为300Wh/kg，没有采用预锂工艺，通过优化电解液循环可达到450次。

通过预锂工艺，可以大大改善硅负极的循环性能（见下图）。项目最终电池的容量为60Ah。

Amprius

目标是制作容量为40Ah的软包电芯，其EOL时的比能量和能量密度分别为350Wh/kg和750Wh/L。负极采用硅纳米线。

电芯性能目标:

Available Energy Density @ C/3 Discharge Rate: 750 Wh/L

Available Specific Energy @ C/3 Discharge Rate: 350 Wh/kg

DST Cycle Life: 1,000 Cycles

Peak Discharge Power Density, 30 s Pulse: 1500 W/L

Peak Specific Discharge Power, 30 s Pulse: 700 W/kg

Peak Specific Regen Power, 10 s Pulse: 300 W/kg

Calendar Life: 15 Years

Selling Price @ 100K units: $100

Operating Environment: -30°C to +52°C

Normal Recharge Time: < 7 Hours

High Rate Charge: 80% ΔSOC in 15 min

Peak Current, 30 s: 400 A

Unassisted Operating at Low Temperature: > 70% UseableEnergy @ C/3 Discharge Rate at -20°C

Survival Temperature Range, 24 Hr: -40°C to+ 66°C

Maximum Self-discharge: < 1%/month

该项目之前，Amprius的电芯能量密度（BOL）已经大于700 Wh/L，100%DOD，C/2循环次数大于400 cycles。为了达到该项目目标，措施有：1）调整负极结构和使用更薄的箔材和隔膜来提高能量密度；2）正极将从LCO变为NCM；3）优化负极结构提高寿命；4）开发提高SEI膜稳定性和电芯性能的电解液配方；5）增加负极和电芯尺寸；改善硅生长和沉积的均匀性，降低缺陷密度；可扩展到更大尺寸的制备方法。

通过在电解液里添加提高SEI膜稳定性的添加剂，提高了电芯的性能和寿命。2017年，筛选了100多种电解液配方，包括不同添加剂、溶剂和锂盐。重点改善正极在高SOC和高温下的产气。通过测试高温（50℃）下的循环和存储性能来筛选电解液。循环测试制度为：CC-CV at C/2 rate with 10% current taper and C/2discharge rate, over the full voltage range (2.85-4.25V)。

2017年送测的Silicon-NCM电芯平均容量为10.6 Ah，比能量345 Wh/kg，能量密度860 Wh/L。

18年将制备容量为40Ah的电芯。规格为：

Rated Capacity: 45.9 Ah at C/3 rate

Vmax100 = 4.1V

Vmin0 = 2.5V

Cell weight = 450.7g

Cell size = 6.0 x 96 x 288 mm (body only)

348 Wh/kg and 921 Wh/L

SiNode Systems

SiNode的技术是独有的硅合金-石墨烯结构。17年SiNode开发了一种新型碳包覆方法，用于在石墨烯包裹之前稳定SiOx活性颗粒的表面和SEI膜。通过碳包覆，SiOx(i.e.,>1500 mAh/g)的首效超过79%，非常接近目标值80%。现在可以月生产2kg。

合作方A123已经可以实现实验室规模的负极（1000mAh/g）涂布。与NCA正极制备成全电池，使用含10%和20%FEC电解液的两种电芯的循环性能相当。

小结

1）350Wh/kg电芯，正极采用高镍材料，负极为SiO负极，SiO含量30~50%；

2）电芯为软包，容量在40~60Ah。循环性能较差，300Wh/kg的电芯循环约500次；

3）采用预锂工艺，提高首效。优化电解液配方，提高SEI成膜稳定性和电芯性能。调控负极结构和配方，减少负极破碎和粉化。